分子蒸餾器的工作原理是什么？

1. 分子運(yùn)動(dòng)與自由程概念

  - 分子在不斷地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，在兩次連續(xù)碰撞之間所經(jīng)過的直線距離稱為分子自由程。分子自由程與分子的大小、形狀、溫度、壓力等因素有關(guān)。在相同的溫度和壓力條件下，不同物質(zhì)分子的自由程是不同的，一般來說，輕分子的自由程比重分子的自由程長。

  - 例如，在一個(gè)氣體混合物中，小分子如氫氣的自由程會(huì)比大分子如氧氣的自由程長，這是因?yàn)闅錃夥肿淤|(zhì)量小、體積小，在運(yùn)動(dòng)過程中受到其他分子碰撞的概率相對(duì)較低。

2. 高真空環(huán)境的作用

  - 分子蒸餾器工作時(shí)需要在高真空環(huán)境下進(jìn)行，通常壓力可達(dá)到0.1 - 100Pa。高真空環(huán)境有兩個(gè)重要作用。一是降低物質(zhì)的沸點(diǎn)，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程\(PV = nRT\)（\(P\)是壓強(qiáng)，\(V\)是體積，\(n\)是物質(zhì)的量，\(R\)是摩爾氣體常數(shù)，\(T\)是溫度），當(dāng)壓力\(P\)降低時(shí)，沸點(diǎn)也會(huì)相應(yīng)降低，這樣可以在較低的溫度下使物質(zhì)蒸發(fā)，避免熱敏性物質(zhì)因高溫而分解或變質(zhì)。

  - 二是增大分子的平均自由程。在高真空環(huán)境下，分子間的碰撞概率大大降低，分子能夠在更長的距離內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，使得不同物質(zhì)分子自由程的差異更加明顯，有利于分離。例如，在常壓下，分子的平均自由程較短，不同分子的運(yùn)動(dòng)軌跡容易相互干擾，難以實(shí)現(xiàn)基于自由程差異的分離；而在高真空環(huán)境下，分子的運(yùn)動(dòng)空間增大，自由程差異得以凸顯，為分子蒸餾提供了條件。

3. 蒸發(fā)過程

  - 待分離的混合液被輸送到分子蒸餾器的蒸發(fā)器中，蒸發(fā)器通過加熱裝置（如夾套加熱、內(nèi)置盤管加熱等）使液體溫度升高。在高真空和適當(dāng)?shù)臏囟认拢后w分子獲得足夠的能量，從液面逸出形成蒸汽。由于不同物質(zhì)分子的自由程不同，輕分子更容易從液面逸出并向冷凝器方向運(yùn)動(dòng)。

  - 例如，在分離植物油中的維生素E（輕分子）和甘油三酯（重分子）時(shí)，當(dāng)混合液在蒸發(fā)器中受熱，維生素E分子由于自由程較長，更容易從液面蒸發(fā)出來，而甘油三酯分子相對(duì)較難蒸發(fā)。

4. 冷凝過程

  - 分子蒸餾器的冷凝器位于蒸發(fā)器附近，其溫度遠(yuǎn)低于蒸發(fā)器溫度。從蒸發(fā)器逸出的輕分子蒸汽在向冷凝器運(yùn)動(dòng)的過程中，遇到低溫的冷凝器表面，失去能量而被冷凝成液體。冷凝器通常采用冷卻水或其他低溫介質(zhì)進(jìn)行冷卻，其內(nèi)部有冷卻管道或冷卻夾套，以保證有足夠低的溫度使蒸汽冷凝。

  - 例如，在魚油分離中，從蒸發(fā)器中逸出的多不飽和脂肪酸蒸汽，在接觸到冷凝器的冷表面后，迅速凝結(jié)成液體，被收集起來，從而實(shí)現(xiàn)與其他未蒸發(fā)成分的分離。

5. 分離原理總結(jié)

  - 分子蒸餾器就是利用不同物質(zhì)分子自由程的差異，在高真空和適當(dāng)溫度條件下，使輕分子優(yōu)先蒸發(fā)并到達(dá)冷凝器被冷凝收集，而重分子由于自由程較短，大部分仍留在蒸發(fā)器中或返回蒸發(fā)器液面，從而實(shí)現(xiàn)輕、重分子的分離。這種分離方式對(duì)于沸點(diǎn)相近、相對(duì)分子質(zhì)量差異較小但分子自由程差異明顯的物質(zhì)的分離尤為有效，如天然產(chǎn)物中的有效成分和雜質(zhì)、精細(xì)化工中的同分異構(gòu)體等的分離。